CALIBRAÇÃO ESTÁTICA DO MARTELO PENDULAR CONFORME A NORMA
ISO 14.556 DESTINADA À INSTRUMENTAÇÃO DA MÁQUINA DE ENSAIO
CHARPY
G.J. Vidotto (1), R.C. Tokimatsu (1) e A. R. Rodrigues(2)
(1) Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira- FEIS/UNESP Av. Brasil 56, Ilha Solteira- SP, 15.385-000, e- mail:vidotto@dem.feis.unesp.br
(2) Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos - EESC/USP Av. Trabalhador São Carlense, 400 , São Carlos -SP, 13566- 590
RESUMO
O ensaio Charpy é um dos ensaios de impacto mais comuns utilizados na caracterização mecânica de materiais. Com ele é possível medir a energia global absorvida por um corpo de prova entalhado para causar sua fratura. A instrumentação adequada do ensaio, para a medida da força de impacto, permite o acompanhamento do processo de fratura dos materiais ensaiados e a obtenção de informações adicionais quando se compara com o ensaio convencional. Todavia, apenas no ano de 2000 foi apresentada à comunidade científica desta área de pesquisa a normalização que determina os procedimentos de uma instrumentação adequada e interpretação pormenorizada dos resultados obtidos. A forma de instrumentação indicada pela norma ISO 14.556 refere-se ao emprego de extensômetros elétricos de resistência posicionados no martelo pendular, transformando- o em uma célula de carga, além de um conjunto para condicionamento e amplificação dos sinais força vs tempo e um microcomputador para tratamento matemático e saída dos resultados. No presente trabalho, executou-se uma das etapas do complexo processo de instrumentação do ensaio Charpy. Trata-se da calibração estática da célula de carga utilizada no ensaio instrumentado. Essa etapa é primordial para uma aplicação eficiente da célula de carga. Representa uma das fases mais laboriosas e minuciosas do processo, pois se fez necessária a construção refinada de vários dispositivos e realização cuidadosa de ensaios estáticos e dinâmicos, destinados à calibração da célula de carga e averiguação do desempenho da instrumentação em condições reais de ensaio.
Palavras-Chaves:
Calibração de célula de carga, norma ISO 14.556, Charpy Instrumentado1. INTRODUÇÃO
No ensaio Charpy, corpos de prova entalhados são submetidos ao impacto de um dado peso sob temperaturas conhecidas em uma máquina pendular (Ferrante, 1996). Os resultados apresentados são obtidos na forma de energia absorvida pelo corpo de prova durante o impacto em função da temperatura (Broek, 1995).
E ne rg ia A b so rv id a [J ] Temperatura [ C]O A B
O ensaio Charpy é normalizado segundo a American Society for Testing and Materials, norma ASTM E- 23. O corpo de prova possui comprimento de 55mm, uma seção quadrada de 10mm e apresenta um entalhe em V, com ângulo de abertura igual a 45° e profundidade de 2mm. O raio da raiz do entalhe mede 0,25mm. A amostra é apoiada como uma viga no suporte de apoio. O impacto, à velocidade de 5 m/s, ocorre no lado oposto ao do entalhe por um pêndulo de aproximadamente 20kg. O corpo de prova é forçado a se dobrar a uma elevada taxa de deformação, da ordem de 103 s-1.
1.1Transdutores
Transdutores são dispositivos eletromecânicos que convertem uma dada energia de origem mecânica, tais como deslocamento ou força, em um sinal elétrico que pode ser monitorado pelo nível de tensão apresentado após seu condicionamento. Existem no mercado uma grande variedade de transdutores destinados às medidas das mais variadas quantidades mecânicas. As características dos transdutores, dentre as quais cita- se a faixa de operação, a linearidade, a sensibilidade e a temperatura de operação, são determinadas primariamente pelos sensores, incorporados nos transdutores para produzirem o sinal de saída elétrico.
Por exemplo, o conjunto de extensômetros compõe um transdutor, que por sua vez produz uma variação na resistência elétrica de um valor relativo ∆R/R proporcional ao carregamento aplicado. Cada extensômetro representa o elemento sensor neste transdutor de força e estabelece as características do transdutor. Os sensores utilizados no projeto de transdutores incluem potenciômetros, transformadores diferenciais, extensômetros, capacitores, cristais piezoelétricos, entre outros.
Em razão da grande facilidade e resolução conseguida na medida da tensão elétrica, os extensômetros elétricos passaram a ser largamente empregados para medir deformações em estruturas e em componentes especialmente projetados para atuarem como transdutores em medidas de pressão, força, tensão, deslocamento, temperatura e diversos outros instrumentos de medida. Tanto na análise das deformações, quanto no projeto de transdutores, a aplicação dos extensômetros abrange campos desde a construção civil até práticas médicas cirúrgicas.
Em qualquer tipo de aplicação, a base da extens ometria consiste na medida da deformação local de uma peça ou componente. A técnica baseia-se na fixação do extensômetro no local a ser medido, de modo que ele se distenda e contraia solidariamente ao corpo em análise, pois a deformação do extensômetro é diretamente associada à deformação do corpo estudado. Em virtude dessas vantagens, atualmente o domínio da técnica de utilização dos extensômetros elétricos de resistência é indispensável a qualquer equipe que se dedique ou esteja envolvida com trabalhos de medições.
1.2 Ensaio Charpy Instrumentado
A instrumentação adicional aplicada à máquina de ensaio Charpy permite o monitoramento da resposta força vs tempo da deformação e fratura do corpo de prova Charpy -V. A vantagem da instrumentação do ensaio Charpy baseia- se no aumento do número de informações adicionais obtidas com um baixo custo, facilidade de execução dos corpos de prova e operação simples.
A instrumentação para um ensaio de impacto Charpy típico inclui um martelo instrumentado, um amplificador dinâmico, um sistema de gravação e visualização do sinal e um dispositivo para medida da velocidade, tais como potenciômetros ou células fotoelétricas. O martelo instrumentado é transformado em uma célula de carga dinâmica. Extensômetros elétricos são colados no martelo para transformar a carga de compressão decorrente do contato com o corpo de prova em um sinal de voltagem. O amplificador dinâmico fornece energia aos extensômetros elétricos e amplifica o nível do sinal de saída.
O sinal de impacto é gravado e armazenado em um osciloscópio de memória e os dados digitais podem ser transferidos a um computador para análise matemática. A máquina de impacto e o pacote de instrumentação devem ser calibrados para assegurar resultados confiáveis. A calibração da máquina de ensaio Charpy Instrumentado pode ser executada em concordância com a norma ISO 14.556. A Figura 1.2 ilustra esquematicamente o comportamento das curvas força vs deslocamento como função da tenacidade do material. É possível identificar os vários estágios no processo de fratura.
A B C D E F F [k N ] 2 4 2 0 1 6 1 2 8 4 0 0 2 4 6 8 10 s [mm] F [k N] 2 4 2 0 16 12 8 4 0 0 2 4 6 8 10 s [mm] F [k N ] 24 20 16 12 8 4 0 0 2 4 6 8 10 s [mm] F [k N ] 24 20 1 6 12 8 4 0 0 2 4 6 8 1 0 s [mm] F [k N] 2 4 2 0 1 6 1 2 8 4 0 0 2 4 6 8 10 s [mm] F [k N ] 2 4 2 0 1 6 1 2 8 4 0 0 2 4 6 8 10 s [mm] F s F s F s F s F s F s Fa Fg y F = Fm iu sg y s = sm iu Fgy F = Fm iu sgy s = s = sm iu a Fa Fg y Fm sg y sm Fiu s = siu a Fg y Fm sgy sm
TIPO REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA GRAVAÇÃO REAL DO SINAL TIPO REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA GRAVAÇÃO REAL DO SINAL
Fa
Figura 1.2 - Curvas características força vs deslocamento classificadas pela norma ISO. (Fonte: International Standard, 2000)
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia empregada na realização dos objetivos centrais do trabalho foi dividida em partes: a) fabricação do dispositivo e acessórios de fixação do cutelo na máquina de ensaio estático, b) calibração estática. A fabricação do dispositivo de calibração, denominado pela norma ISO como Bloco Suporte para Calibração , atendeu aos requisitos de usinagem exigidos pela referida norma. Os acessórios de fixação, embora não previstos ou enunciados pela norma, também foram necessários ao processo de calibração estática. O desenho alusivo é apresen tado na Figura 2.1
A calibração estática ocorreu, em uma prensa mecânica, fabricada pela Conteco Indústria e Comércio Ltda, com acionamento automático. O martelo instrume ntado foi submetido a uma taxa de deformação monotônica não superior a 10-4 s-1. Fixo à prensa, tal como ilustra a Figura 2.1, o martelo contou com um sistema para alimentação (tensão elétrica) dos extensômetros e para a medida da diferença de potencial elétrica gerada em decorrência da aplicação dos níveis de força conhecidos. Esse aparato permitiu a determinação de uma função matemática linear, devido em geral ao comportamento linear dos extensômetros, entre o nível da tensão de saída e a força aplicada no sistema pelo anel dinamométrico.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
O procedimento de calibração estática consistiu-se na aplicação de um carregamento conhecido, pelo anel dinamométrico, e sua correspondente variação em mV/V, decorrente da deformação do martelo .
Foram efetuados 3 ensaios, cada qual contendo 9 medidas de carregamento e descarregamento da célula de carga para obter a curva de calibração da célula de carga. A Tabela 1.1 apresenta os resultados medidos e a Figura 2.1 mostra a curva de calibração. Fo i utilizado o desvio padrão como indicador da dispersão dos resultados. Os amplitudes dos desvios encontram-se entre parênteses.
Tabela 1.1 - Resultados da calibração estática da célula de carga.
Pontos Relógio Comparador (Anel Dinamométrico) [x10-3 mm] Força Aplicada Correspondente* [kN] Saída Analógica (Indicador de Deformação) [V] Média dos Ensaios
1 0 0 0 2 50 1,034 0,645 (0,007) 3 100 2,067 1,210 (0,057) 4 150 3,101 1,765 (0,021) 5 200 4,135 2,325 (0,021) 6 250 5,169 2,900 (0,042) 7 300 6,202 3,465 (0,021) 8 350 7,236 4,050 (0,000) 9 400 8,270 4,625 (0,078) 0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 R2=0,99991 Pontos de Carregamento Ajuste Linear Força [kN] Tensão [V]
Assim, conforme ilustra a Figura 2.1, a função linear que relaciona o nível de tensão captado pelo osciloscópio digital de tempo real e a força aplicada é dada pela expressão abaixo, que se denomina equação de calibração estática da célula de carga.
F
=
1
,
7824
⋅
V
(1) onde F é a força em kN e V é o nível de tensão em V.4. CONCLUSÕES
Apresentou-se neste trabalho uma das etapas do complexo processo de instrumentação do ensaio Charpy. Trata- se da calibração estática da célula de carga utilizada no ensaio instrumentado. Na primeira etapa do traba lho foram utilizados corpos-de- prova como bloco suporte para a calibração do martelo instrumentado com extensômetros elétricos. A calibração estática também serviu para avaliar a qualidade da colagem dos extensômetros no martelo.
Em vista dos resultados obtidos conclui-se que a célula de carga apresenta boa repetibilidade, fato esse verificado pela pequena dispersão dos resultados, traduzida pelo coeficiente de linearidade R2=0,9991.
A segunda etapa do trabalho esta em andamento, e consiste na calibração es tática utilizando o bloco suporte da norma ISO14.556, e a calibração dinâmica.
5. AGRADECIMENTOS
A FAPESP pela bolsa de iniciação cientifica e auxilio a pesquisa.
6. REFERÊNCIAS
INTERNATIONAL STANDARD. Steel - Charpy V- notch pendulum impact test - instrumented test method. Geneva: ISO, 2000. 14p. (ISO 14556).
RODRIGUES, A. R. Charpy Instrumentado – Determinação da tenacidade à fratura dinâmica de materiais metálicos. Ilha Solteira, 2001. 119p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdad e de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista.
DELFORGE, D. Y. M. Instrumentação de um pêndulo para ensaio de impacto Charpy. Campinas, 1994. 96p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade de Campinas.
QUINAN, M. A. D. Análise de ensaio instrumentado de impacto tipo Charpy. Belo Horizonte. 1996. 98p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Minas Gerais.
STATIC CALIBRATION OF MARTELO/CÉLULA OF LOAD ACCORDING TO
THE NORM ISO 14. 556 DESTINED TO INSTRUMENTAÇÃO OF ENSAIO
CHARPY'S MACHINE
G.J. Vidotto (1), R.C. Tokimatsu (1) e A. R. Rodrigues(2)
(1) Departamento de Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira- FEIS/UNESP Av. Brasil 56, Ilha Solteira- SP, 15.385-000, e- mail:vidotto@dem.feis.unesp.br
(2) Departamento de Engenharia Mecânica, Escola de Engenharia de São Carlos - EESC/USP Av. Trabalhador São Carlense, 400 , São Carlos -SP, 13566- 590
ABSTRACT
The conventional Charpy impact test is w idely used in mechanical characterization of materials. It is possible to measure the global energy absorbed by a notched specimen to cause its fracture. The appropriate instrumentation of this test, for the impact force measurement, allows verify the fracture process of tested materials and obtain additional information when it is compared with conventional testing. Though, just in the year of 2000 it was presented to the scientific community of this research area the normalization that determines the procedures of an appropriate instrumentation. The suitable instrumentation way by the ISO 14.556 standardization refers to use of strain- gages set in striker, transforming it in a dynamic load cell, besides a signals force vs time conditioner and amplifier and a microcomputer for signals pos processing. In the present work, it was carried out an instrumentation process of conventional Charpy impact test. The static calibration of the load cell were applied on test. This procedure is primordial for an efficient application of the load cell. It represents one of the most laborious and meticulous stage of the instrumentation process, because demands refined construction of several mechanical devices and careful accomplishment of static tests, destined to load cell calibration and verification of instrumentation performance on real test conditions.
